Gait-Specific复合鞋类鞋底夹层系统的优化,通过动态有限元模型

文摘

客观的。在上个世纪,跑鞋受到剧烈的变化与伤害预防然而增量改进。等,这可能是由于有限的了解实验方法可以提供3 d原位反应。本研究的目的是证明有限元(FE)建模技术的有效性,优化鞋底夹层系统所提供的缓冲能力。方法。商业跑步鞋是通过微型计算机断层扫描及其凝胶鞋底夹层,逆向工程,200μ米精度。生成的3 d模型受到biorealistic加载和边界条件,在时变足底压力分布和shoe-ground接触约束。验证有限元模型的网格网格的概念稳健并验证velocity-driven影响测试。非线性材料属性被分配给所有实体和模型进行动态有限元分析。一个优化函数(基于能量吸收标准)是用来确定最佳凝胶体积和位置,以适应顺序缓冲在后面,中期,和前脚,跑步者的立场阶段。结果。原位发展应力场表明冲击消散鞋底夹层的属性可以显著提高。改变凝胶垫的位置和体积变化导致不同的鞋底夹层的反应,可以更有效地调整到特定的罢工和内翻的模式。结论。结果表明,鞋底夹层的设计可以通过biorealistic显著提高有限元建模,从而提供一个新平台的概念设计和/或优化现代鞋类。

1。介绍

历史学家们通常把1970年代描绘成一个“主的变化”的工业世界(1),无论在经济上还是文化上。这十年的后期也重新定义了我们认为今天是休闲运动,生下健康发展,必然会改变全球数百万人的生命2]。所谓的“繁荣”使群众活动从慢跑到竞争道路运行,获得动力,同时沉淀的发展第一技术跑步鞋(3]。由于不断增长的运动,运动服装行业受到前所未有的增长(4),使得技术鞋类设计可以说是成熟到最先进的人体工程学的分支之一。

尽管如此,生物力学运行已经详尽的研究在过去的几年中,鞋类改进经常被描绘成增量的伤害预防(5,6]。虽然使用复合材料和复杂的鞋底夹层设计了制鞋业的风暴,实验方法难以提供全面深入的3 d结构的原位反应。然而这3 d方面是基础整体鞋底夹层设计,不仅冲击动力学本质上是一个时间,但也是一个space-varying现象(7]。因此,大多数新引进技术未能实现他们的潜能8]。

在过去的十年中,有限元(FE)建模已成为一个有效的替代体外(9)和体内测试(10),在生物力学社区获得广泛接受。尽管如此,大多数研究采用有限元方法在鞋类建模是只承认静态加载条件(11)或者让轴对称等几何简化12),因此无法评估系统的原位动态响应。

其他相关联的限制当前文学关注特定的解剖网站(例如,治愈垫(13])。尽管最近的一项研究[14)指向的能力简化模型预测患者足底压力具体考虑,这些模型可能无法接受而寻求重新定义洞察鞋类生物力学,像跑步鞋受到迅速改变动态载荷(15)和接触条件shoe-ground接口(16]。

这个调查的假说是,先进的有限元建模,加上感觉反馈设备(原位足底压力测量),可以方便的考虑,这些有限的边界,同时能够提供全面的反馈,鞋底夹层材料的互动影响和运行动力学,结构减轻发生影响的能力。如果证明真的,这可能是一个主要支持方法充分利用先进材料的性质,在发展新一代的功能化鞋系统。

为此,本研究的目的是评估有限元建模技术的有效性,在系统优化鞋底夹层,其减震能力。开发3 d模型改进当前文学无论是biorealistic /动态加载场景和鞋底夹层系统的几何精度。

2。材料和方法

商业跑步鞋是通过微型计算机断层扫描装置(Werth TomoScope®高压紧凑型- 225 3 d数控)及其凝胶鞋底夹层,逆向工程,200μ米精度。生成的3 d模型(见图1)的一种聚合物泡沫和四个凝胶插入,一个12.7毫升置于脚跟和三个进一步的,结构化的前脚地区的鞋。

2.1。载荷和边界条件

足底压力分布,发生在运行期间,由Footscanner鞋垫2.39系统(美国Niceville, FL, 32578),而时间shoe-ground联系人是提取高速相机测量(MotionBLITZ EoSens®mini)。51公斤的足底压力记录女耐力运动员,结果过滤和统计规范化。加载和边界条件都是在动态条件下应用于表面上伪劣缓冲系统。四个阶段的特征建模的立场周期(mid-stance着陆,影响峰,最后,脚趾头)见图2。

这些加载场景与现有文献相一致,应用足底压力分布的有限元建模方法,尽管其中大部分集中在散步的场景与专业鞋类,如高跟鞋(17]。

2.2。材料特性

鞋底夹层矩阵(基材)被认为是一个双密度压缩模制乙烯-醋酸乙烯(CMEVA)泡沫,0.95克/厘米³密度弹性活跃链和0.32摩尔/升的交联网络18]。由于鞋底夹层是接受函数在其弹性范围,瞬态粘弹性模量代表是通过指数的总和19的方程(1)。 弹性常数和各自的时间放松值吗 kPa时 分钟, kPa时 分钟, kPa时= 507.6分钟,而长期弹性模量( )被固定在2650 kPa。

的复杂的非线性应力-应变响应凝胶垫在CMEVA被表示成一个超弹性的材料。凝胶的应变能密度近似通过奥格登材料模型制定以下材料常量: ,剪切模 kPa和 kPa和泊松比 和 和 和 。

2.3。有限元模型

ANSA的网格生成网格(βCAE系统),促进有针对性的啮合和考虑完全符合接口。这种方法确保平稳模型实体之间的应力传递,同时保持足够程度的计算效率。

验证了有限元模型的网格,通过融合研究,以确保其概念上的合理性。确定最优网格密度的处理时间和结果准确性导致网格独立电网,同时保持重要几何特征(特征线)在整个模型。这是通过逐渐减少元素的大小在所有单个模型实体在一定程度上,结果扭曲了不到0.2% (20.]。下面总结了一些元素的质量标准。

最后的模型由五个实体,一个CMEVA矩阵对应于89.22%的鞋底夹层卷和4凝胶卷(模仿作为单独的实体,允许volume-specific优化)。整个模型由四面体元素,偏态值从0.10到0.99(二班),在理论上1对应于一个“完美”的四面体元素。大约92%的元素表现出1和2之间的纵横比(二班),而剩下的8% max长宽比约为4(3班)。图进一步元素质量标准进行了总结3。

模型根据velocity-driven影响进行验证测试,按照ASTM F1976-06,自动化设备上进行的英斯特朗CEAST (9350) (21]。的趋势选择验证过程模型;关注这些术语不准确的实验数据近似,但在模型模拟的能力”的趋势。“例如,实验设置的变化,导致鞋底夹层的缓冲容量的增加,并导致的计算类似的百分比增加(FE模型)。

2.4。FE-Driven鞋底夹层的优化

一个优化函数引入到模型评估的有效性不同凝胶垫的位置及形状。寻找一个最优的解决方案(提供高能量吸收和支持)是由优化算法提供的modeFRONTIER(由ESTECO SpA、意大利)。

提供的支持被认为是导致优化远离鞋底夹层结构与凝胶量明显增加,这可能提供特殊缓冲低成本的支持。鞋被认为是支持的测角鞋底夹层的横向平面。这种“平衡”是由测量侧的轴向位移节点沿着鞋的前后的轴和设置为一个约束优化的鞋底夹层的吸收能力。

一旦模型设置,它受到的动态分析有限元分析/显式(达索系统公司股价Simulia Corp .)、普罗维登斯、RI、美国)。初步仿真后,结果处理元(βS.A. CAE系统,Switzerland), as to determine the energy absorbed within the midsole as well as to calculate sole stiffness and displacement balance (proper support). Linking this workflow directly through modeFRONTIER facilitated the automated setup of all design variables. The parameters that control the shape and size of the gel inserts were created in the preprocessor ANSA (by BETA CAE Systems S.A., Switzerland), using mesh morphing methods. The logical diagram of the optimization process is demonstrated in Figure4。

3所示。结果

正如预期的那样,非线性复合(凝胶和EVA泡沫)的中底材料表现出应变rate-dependent回应,确认最新实验结果(22]。这证实了,只有有限的信息可以获得系统的减震能力通过准静态实验或有限元分析。

模型显示,马克斯·冯·米塞斯应力、发展在鞋底夹层,是在6.2 MPa(优化),观察期间影响峰(约0.09 ms的立场阶段)的外侧脚,在跟骨、骰骨之间。这正好与马克斯足底压力的时间(0.854 MPa),同时强调了重要力量损耗在整个鞋底夹层结构。

图5强调了压力浓度的变化观察到凝胶垫和EVA泡沫。尽管发展中应力场的相似性和观察到的趋势,峰值应力的转变凝胶垫地区(图5(一个))置于中央前脚(图5 (b)),发展压力模式集群略有不同,而表现出最大价值高达9%。高应力范围优化凝胶垫配置显示更高的应变能吸收在这个场景中。

明显的本地化的原地应力场(图发展5)表明,冲击消散特性,虽然引人注目,可以显著优化提供增加缓冲。这是明显的,当改变凝胶垫的位置以及在调制的体积,因为导致不同的鞋底夹层的反应。马克斯·冯·米塞斯应力发展(在鞋底夹层结构)可以改变40%以上,但是这些改变应该只被认为是对提供的角稳定(一个约束,考虑在优化)。

应力场特征,发展下表面的鞋底夹层(影响高峰期间),见图6鞋,而上部结构显示只有提高3 d模型的感知。

值得注意的是,其他几个地区的鞋底夹层系统表现出压力积累,无关地胶的位置和形状。这可以归结等涉及材料的各向同性的性质,规定鞋类设计可能会进一步提高通过使用先进的和/或功能化的材料。

pronation-specific放置的次要顺序缓冲胶垫是至关重要的,提供的后方,中期,脚掌鞋的区域。地面反作用力的较小规模转移到脚,在后者的两个区域,表明凝胶体积较小,足以容纳适当减轻影响和立场的支持。

优化函数导致200凝胶垫变化(图的分析7),近似的几何形状和位置优于前检查所有场景。

所有检查对最优几何图形的无症状的收敛一表明,进一步改善可能只有增量影响鞋底夹层的吸收能力,没有不安所提供的支持。

最初的和优化的凝胶位置和成交量叠加,在鞋底夹层结构,在图8。值得注意的是整体凝胶体积变化的不到10%,而最终的几何为模拟步态模式提供了更好的稳定性比最初的材料分配。

4所示。讨论

鞋类和矫形器被称为满足多重需求(23],缓冲和稳定是最重要的。文学一再强调几个方面的重要性,关键鞋设计和/或选择,比如人体测量数据(21),脚资格(24),和步态特征不同25]。

鞋设计对足底压力的影响体内详尽调查在过去(26,27],尽管大多数研究得出结论,预测治疗效果的鞋类个体规模受限于interpatient可变性和环境线索。因此,实验方法的使用仅限于评价的目的,而不是作为先发制人的形态设计优化。

沙里亚et al。28]提出启发式方法的有限元建模作为一个可行的附属物,当解决形状修改/优化鞋类。在他们的研究中,一个非线性协同作用的反应观察鞋底夹层和鞋垫。这一致的变形模式鞋底夹层系统检查,其稳定性是高度依赖于凝胶的位置和体积。考虑这是一个约束在进化计算方法应用于我们的研究确保优化的鞋底夹层几何不会影响跟骨的角位置,因此不偏置运动员的脚内翻。

鞋底夹层时很明显的减轻属性比较结果在其他立场阶段和足底压力测量。最近的一项研究赤脚步态的陈et al。29日表示3下的峰值应力^{理查德·道金斯}跖骨骨,达到6.91 MPa在脚趾头。在穿鞋跑步的场景中,模拟,马克斯足底压力在脚趾头是小于0.01 MPa。这可以归因于重定向发展中加载的中底材料,鞋内的最大应力结构在这些阶段达到2.1 MPa。却是值得注意,这缓解压力相当高,相比直接研究counter-examining穿鞋赤脚场景(30.),变化限制在34%。这可以归因于陈的加载和边界条件研究et al。29日),这里介绍的之间存在着显著的差异。

尽管其他实验研究报告不同的马克斯。和平均足底压力值(31日),这些不一致性预期,由于主体的变化和不同的测量技术。因此,需要考虑的重要因素是记录的趋势,而不是测量值。

shinmoyama教授等。32)采用类似FE-based这里介绍的方法,制定配方等效设计问题。旁边的单目标约束优化利用在我们的例子中,他们也被认为是一个多目标nonconstraint方法,实现更快的转换。尽管这些进化方法应用在一个简化的设计研究中,调制的弹性模量检查鞋底夹层系统三个领域,他们的一些观测结果被这里给出的结果持续。这种情况也在考虑设计参数的灵敏度。为了避免违反稳定约束,优化函数(类似于他们的(32)被证明比预期的不太敏感的设计变量。因此会比关注constraint-handling方法,例如,Pareto-based概念(33)检查违反的程度,而不是nonviolating标准方法。

低灵敏度的优化过程的设计变量是本研究的局限性。尽管优化函数会导致增加约8%的应变能(表明一个更有效的力分配的影响之间的脚和鞋),而小改变凝胶垫卷和立场是指示性的功能无法赶走当地最佳。这表明,一个有效的重新设计的鞋底夹层需要征服的多个起始几何图形/凝胶垫的位置相同的方法收敛于整体最优。

另一方面限制了模型的预测能力是评价一个加载的情况下,例如,脚跟罢工的模式。未来的工作应该考虑罢工的变化模式和内翻,同时调整这些对优化的结果,被广泛认为是自优化运行活动(34),因此一个主题的步态预期来调整这些微小的变化。

将一只脚模型也将被认为是在未来。尽管这种浮鞋交互的实现(35,36)到达相似的结论如下所示,考虑到组织属性,将为组织提供精致的洞察加载。这可能是至关重要的对病人需要规定治疗的鞋类,即。,患有糖尿病周围神经病变(37),地面反应部队已经与下肢皮肤破裂。

5。结论

这次调查介绍了跑鞋的动态有限元模型,考虑时变足底压力分布和边界条件。模型被用来在鞋底夹层材料分配系统的提出改进建议,与能量吸收最优性准则和稳定约束。研究结果揭示了非线性关系的中底材料分配优化参数,展示然而缓冲和稳定产生深远的影响。

研究的结果证实了假设,表明鞋底夹层设计可以显著提高通过使用biorealistic有限元建模技术和适当的优化功能,提供一个新平台的概念设计和/或优化现代鞋类。

数据可用性

目前的工作中使用的所有数据是可用的,并同意提供所有涉及作者的访问请求的信息,数据,或原始文件。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究已经cofinanced-via国家奖学金基金会的项目(犹太人)——欧盟(欧洲社会Fund-ESF)和希腊国家基金通过行动名为“加强人力资源研究潜在的通过博士学位Research-2nd循环”框架的操作程序”的人力资源开发计划,教育和终身学习”的国家战略参考框架(NSRF) 2014 - 2020。这项研究是否则在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。在这些术语,只有机构支持(内部融资)提交工作。

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